CN114853149A - 处理低碳废水的cw-mfc系统快速启动方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理和水生态修复技术领域，具体涉及处理低碳废水的CW‑MFC系统快速启动方法及装置。CW‑MFC系统快速启动的原理为：将不同导电和非导电填料置入原污泥中驯化，得到具有不同特性的污泥，以实现CW‑MFC系统的快速启动；通过将驯化用的导电和非导电材料、以及不易变形的硬质胶管和设有通孔的PVC管设计在CW‑MFC装置内，构建出CW‑MFC装置；将驯化后的污泥和进水的混合溶液加入至CW‑MFC不同位置，同时通过测量PVC管中溶解氧的含量，保证不同位置中所需的最佳环境，在工艺上实现CW‑MFC的快速启动。本发明解决了低碳废水的CW‑MFC系统启动速度较慢，产电能力较低的问题。

Description

处理低碳废水的CW-MFC系统快速启动方法及装置

技术领域

本发明属于污水处理和水生态修复技术领域，具体涉及处理低碳废水的CW-MFC系统快速启动方法及装置。

背景技术

人工湿地与微生物燃料电池(CW-MFC)耦合是近几年新兴的一种废水处理技术，由于能够同时实现污染物去除和能源再生而备受关注。该项技术的优势体现在保持了原有非电活性微生物作用的同时，还激活了电活性微生物的功能：通过氧化废水中有机物的过程，释放电子到导电基质上，将化学能转化为电能。碳氮比指废水中碳氮量的比值，是影响微生物进行反硝化过程的重要因素，若想实现较高的脱氮效率，进水碳氮比通常需保持在5以上，然而当碳氮比较低时，比如在1.5-3.5的范围内，有限的有机碳源一方面抑制了反硝化细菌，使反硝化脱氮受到限制，另一方面电活性微生物可利用的化学能也相对较少，导致产电能力低下，因此一种能够处理低碳废水的CW-MFC工艺亟待开发。

自养反硝化是反硝化菌利用无机碳作为碳源，以无机物作为硝酸盐氮还原的电子供体，完成的微生物新陈代谢。研究表明，CW-MFC中的反硝化菌群即包括电活性微生物，又包括非电活性微生物，所以，加强对自养反硝化菌群的驯化和培养对提高CW-MFC处理低碳废水效率和产电能力尤为重要。基于自养反硝化工艺的CW-MFC的启动过程实际是自养反硝化菌(包括电活性和非电活性)在阳极富集的过程，也是与系统中其他微生物种群竞争与适应的过程，然而自养反硝化菌驯化时间周期较长，在与异养反硝化菌的竞争中处于劣势，增值速率慢，导致系统的启动速度较慢，因此本发明针对这些弊端，提供了一种基于自养反硝化工艺的CW-MFC快速启动方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了处理低碳废水的CW-MFC系统快速启动方法及装置；本发明解决了低碳废水的CW-MFC系统启动速度较慢，产电能力较低的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种处理低碳废水的CW-MFC系统快速启动方法，包括如下步骤：

(1)微生物的驯化：

将阳极导电填料加入至厌氧污泥池中进行阳极微生物驯化，得到阳极污泥；

将阴极导电填料加入至好氧污泥池中进行阴极微生物驯化，得到阴极污泥；

将好氧污泥、厌氧污泥共混得到混合污泥，将非导电填充材料加入至混合污泥池中进行基质污泥微生物驯化，得到基质污泥；实现污泥中微生物适应不同材料的环境，还能够在短时间内让基质表面富集好氧或厌氧微生物，从而形成相应的生物膜，为CW-MFC系统启动阶段的污泥接种奠定基础，缩短系统的启动时间；

(2)处理低碳废水的CW-MFC系统快速启动方法：

将阳极污泥加入到含有阳极导电材料的阳极层中，将阴极污泥加入到含有阴极导电材料的阴极层中，将混合基质污泥加入到含有非导电材料的基质层中，所述基质层设置于所述阳极层和所述阴极层之间，且所述阳极导电材料和所述阴极导电材料通过导线构成闭合回路，阳极导电材料产生的电子通过导线供给阴极导电材料，于阴极电极表面进行自养细菌的反硝化反应，得到快速启动的CW-MFC系统。

优选的，所述阳极导电材料选自含有硫、铁元素的导电材料，其包括但不限于黄铁矿、海绵铁；所述阴极导电材料选自碳质导电材料，其包括但不限于生物炭、焦炭、石墨颗粒；所述非导电材料包括但不限于砾石、石英砂、鹅卵石；黄铁矿中的硫、铁离子具有失去电子能力，为系统中硝氮提供电子供体，加快系统中自养反硝化的进行，更有效地处理低碳废水。

优选的，所述阴极微生物驯化进行间歇曝气，每曝气1h停止2h再曝气；所述混合污泥微生物驯化进行间歇曝气，每曝气1h停止5h再曝气，间歇曝气的曝气量均为0.2-0.4L/min，所述阳极污泥微生物驯化不进行间歇曝气；所述阳极微生物驯化、所述阴极微生物驯化、所述混合污泥微生物驯化的时间均为6-8天。

本发明还保护了处理低碳废水的CW-MFC系统快速启动方法的装置，包括外壳，所述外壳内由上至下依次设置有阴极层、基质层、阳极层和砾石基底层；

所述外壳内相对的两侧还分别设置有第一胶管和第二胶管，所述第一胶管沿着所述外壳内壁垂直伸入至所述阳极层上边缘，所述第二胶管沿着所述外壳内壁垂直伸入至所述基质层上边缘；

所述阴极层由所述阴极污泥和阴极导电材料组成，所述阳极层由所述阳极污泥和阳极导电材料组成，所述基质层由所述基质污泥和非导电材料组成；

所述阴极层的顶部设置有水生植物，所述阴极层和所述阳极层通过导线电性连接，所述导线上还设置有定值电阻；

所述基质层和所述阴极层之间设置有曝气石层，所述曝气石层通过曝气管还贯通连接有电磁式空气泵，所述曝气管上设置有转子流量计；

所述外壳上贯通设置有出水管，所述出水管上设置有出水阀门。

优选的，所述第一胶管和所述第二胶管均为不易变形的硬质胶管，且二者的顶端均高出所述外壳顶壁；第一胶管和第二胶管使系统在添加进水时采用分层进水的方式，这种进水方式减少了上方填料床拦截厌氧污泥量，让厌氧污泥和好氧污泥分别最大程度地进入到阳极的厌氧环境和阴极的好氧环境中，加快系统阳极生物膜形成。

优选的，所述外壳内、位于所述外壳中央还竖直设置有PVC管，所述PVC管侧壁上开设有若干通孔；通过实际测量所述PVC管中不同位置的溶解氧含量，来了解壳体内中不同位置的溶解氧含量，为了防止破坏阳极系统的厌氧环境，通过测量阴阳极的DO浓度，不断调节曝气量，将阴阳极的DO浓度控制在合适的范围内，保持了阳极厌氧环境。

本发明还保护了装置进行低碳废水的处理工艺，包括如下步骤：

S1、经由所述第一胶管向所述外壳内加入模拟废水和厌氧污泥的混合液，并将所述阳极层上边缘淹没，然后将所述第一胶管的上端开口封闭；防止更多的氧气进入系统内部，破坏阳极层的厌氧环境；

S2、经由所述第二胶管向所述外壳内加入模拟废水与混合污泥的混合液，并将所述基质层上边缘淹没；

S3、向所述阴极层上边缘加入模拟废水与好氧污泥的混合液，并将所述阴极层上边缘淹没；

S4、调节所述定值电阻，使电子经由所述导线传导，并于所述阴极层表面进行自养细菌的反硝化反应，于所述外壳内的水力停留时间通过测定出水水质指标进行确定；主要由于不同废水处理工艺系统中污泥浓度和添加的营养物质都不同，导致营养物质的消耗情况也不同，为了保证自养反硝化微生物的生存环境下，因此需要测定出水水质，进而确定水力停留时间；

S5、达到出水水质指标后，先将处理后的废水经由所述出水管排出，然后依次重复S1、S2、S3的步骤进行换水。

优选的，所述处理工艺中添加的厌氧污泥、好氧污泥和混合污泥均为浓缩污泥，所述浓缩污泥和模拟废水体积比为1-1.5：400，所述更换的进水量与所述外壳内污泥和水总量的体积之比为6-7：10，防止污泥的流失，以及维持污泥相对稳定的环境。

优选的，所述出水水质指标包括COD量、NH₄ ⁺-N量、NO₃ ^--N量、PO₄ ^3--P量，COD采用COD快速测定法、NH₄ ⁺-N采用纳式试剂分光光度法、NO₃ ^--N采用紫外分光光度法、PO₄ ^3--P采用钼酸铵分光光度法。

优选的，通过所述混合污泥、所述好氧污泥、所述厌氧污泥曝气后的浓度以确定换水时的进水浓度，所述浓缩混合污泥、浓缩好氧污泥及所述浓缩厌氧污泥曝气后的浓度通过测量悬浮固体量来确定，悬浮固体量与所述活性污泥的浓度一致，通过测定污泥浓度，计算出污泥中微生物对营养物质的需求量，如碳源、氮源等，以便于计算进水浓度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本系统对微生物驯化的目的在于：将材料放入污泥容器中培养一段时间，不仅污泥中微生物能够适应材料的环境，更重要的是能够在短时间内让基质表面富集好氧或厌氧微生物，从而形成相应的生物膜，为CW-MFC系统启动阶段的污泥接种奠定基础，能够缩短系统的启动时间。

2、本发明在CW-MFC系统启动时的创造性之处还体现在胶管的合理布置，使系统在进水时采用分层进水的方式，这种进水方式有效减少了上方填料床拦截厌氧污泥的量，使得厌氧污泥和好氧污泥分别最大程度多地进入到阳极的厌氧环境和阴极的好氧环境中，加快系统阳极生物膜形成，能够缩短系统的启动时间。与现有技术相比，现有技术的CW-MFC系统启动方法是将进水和活性污泥混合液从上至下全部加入到系统中，这种方法的缺点是厌氧污泥经过系统上方填料床的沉淀、过滤和拦截作用，来到阳极位置时厌氧污泥已大大减少，影响阳极生物膜的形成，本发明中所用到的方法可以解决这个技术缺陷，因此能够加快生物膜的形成，加速了CW-MFC系统的启动。

3、CW-MFC系统中间的基质中插入一根垂直的、设有通孔的PVC管，也是本发明启动时的优势；由于阴极处较大的曝气量会影响阳极的厌氧环境，并且很多文献中的启动阶段系统的曝气量不能保证阳极的厌氧环境，因此为了防止更多的氧气进入系统阳极内部，破坏阳极系统的厌氧环境，本发明通过测量阴阳极的DO浓度，不断调节曝气量，将阴阳极的DO浓度控制在合适的范围内，保持了阳极厌氧环境，由于自养反硝化菌在厌氧环境中更易于生存，更有利于系统自养反硝化的进行，同时避免了阴阳极氧化还原电位的降低，增加了系统产电量。

4、本发明的阳极层导电材料使用含有硫、铁元素的导电材料如黄铁矿，黄铁矿中的硫、铁离子具有失去电子的能力，能够为系统中硝氮提供电子供体，加快系统中自养反硝化的进行，更高效地处理低碳废水。该系统的运行方式是在阳极有效富集了电活性细菌Thiobacillus、Exiguobacterium和非电活性微生物Gallionella，Thiobacillus(硫杆菌)是一种典型的硫自养反硝化细菌，与氧化还原无机硫密切相关，同时作为电活性细菌可直接从电极吸收电子以促进硝酸盐的还原能力；Exiguobacterium可促进硫基自养反硝化系统；Gallionella是一种亚铁氧化硝酸盐还原菌，与亚铁自养反硝密切相关。

5、本发明的快速启动原理为：将不同的导电和非导电填料置入原污泥中进行驯化，得到具有不同特性的污泥，以实现CW-MFC系统的快速启动；通过将驯化用的导电和非导电材料、不易变形的硬质胶管、开设有通孔的PVC管巧妙的设计在CW-MFC装置的内部不同位置，构建出CW-MFC装置，以在装置上实现CW-MFC的快速启动；将驯化得到的不同特性的污泥和进水的混合溶液，通过不易变形的硬质胶管加入至CW-MFC不同位置中，同时通过测量PVC管中的溶解氧的含量，保证不同位置中所需的最佳环境，以在工艺上实现CW-MFC的快速启动。

附图说明

图1为本发明中CW-MFC系统的结构示意图；

附图标记说明

1、砾石基底层；2、阳极层；3、砾石阻隔层；4、阴极层；5、第一胶管；6、第二胶管；7、曝气石；8、曝气管道；9、曝气泵；10、出水阀门；11、出水管道；12、水生植物；13、PVC管；14、铜芯导线；15、定值电阻；16、外壳。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

本发明实施例的实验方法均在装置内进行，装置包括：外壳16，所述外壳16内由上至下依次设置有阴极层4、基质层3、阳极层2和砾石基底层1；所述外壳16内、位于所述外壳16中央还竖直设置有PVC管13，所述PVC管13侧壁上开设有若干通孔；

所述外壳16内相对的两侧还分别设置有第一胶管5和第二胶管6，所述第一胶管5沿着所述外壳16内壁垂直伸入至所述阳极层2上边缘，所述第二胶管6沿着所述外壳16内壁垂直伸入至所述基质层3上边缘；

所述第一胶管5和所述第二胶管6均为不易变形的硬质胶管，且二者的顶端均高出所述外壳16顶壁；

所述阴极层4由所述阴极污泥和阴极导电材料组成，所述阳极层2由所述阳极污泥和阳极导电材料组成，所述基质层3由所述基质污泥和非导电材料组成；

所述阴极层4的顶部设置有水生植物12，所述阴极层4和所述阳极层2通过导线14电性连接，所述导线14上还设置有定值电阻15；

所述基质层3和所述阴极层4之间设置有曝气石层7，所述曝气石层7通过曝气管8还贯通连接有电磁式空气泵9，所述曝气管8上设置有转子流量计；

所述外壳16上贯通设置有出水管11，所述出水管上设置有出水阀门10。

本发明还提供了实验中各个参数的测定方法，具体如下：

悬浮固体量MLSS的测定方法：

所述三种活性污泥曝气后的浓度通过测量悬浮固体量来确定，悬浮固体量达到4000-5000mg/L时，所述活性污泥的浓度为4000-5000mg/L；

MLSS的具体测量方法：

材料：定性滤纸(不能用定量的)、电子分析天平、烘箱、干燥器；

取100ml混合液用滤纸过滤，待烘箱中温度升到103-105℃之间的设定值后，将滤干后的滤纸放入烘箱内烘2小时，取出置于干燥器中放置半小时，称量后减去滤纸重量，测滤纸的重量也要采用上述同样的步骤。

溶解氧含量的测定方法：

由于PVC管是通孔设置，因此在同一高度的基础上，壳体内部和PVC管之间的溶解氧含量与PVC管中的溶解氧含量相等，通过实际测量通孔PVC管中不同位置的溶解氧含量，来了解壳体内中不同位置的溶解氧含量；具体测量方法：将雷磁多参数水质分析仪放入PVC管中不同位置，测量通孔PVC管中不同位置的溶解氧含量，进而了解壳体内中不同位置的溶解氧含量。

水力停留时间的判断：

水力停留时间需通过测定出水水质指标进行确定；主要由于不同废水处理工艺系统中污泥浓度和添加的营养物质都不同，导致营养物质的消耗情况也不同，为了保证自养反硝化微生物的生存环境下，因此需要测定出水水质，进而确定水力停留时间。出水水质指标的测定包括COD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、PO₄ ^3--P，测量方法：COD采用COD快速测定法、NH₄ ⁺-N采用纳式试剂分光光度法、NO₃ ^--N采用紫外分光光度法、PO₄ ^3--P采用钼酸铵分光光度法。

本发明实施例中采用模拟废水污染物进行自养反硝化工艺，模拟废水污染物的组成为：COD(40-60mg/L)、NH₄ ^+-N(25-40mg/L)、TP(8-12mg/L)；进水时，将模拟废水污染物和活性污泥泥水一起混合，模拟废水污染物和活性污泥泥水体积比1-1.5：400；活性污泥实现对系统中微生物的补充，原因在于：在启动阶段因系统不稳定，材料上的生物膜还未成熟，但每次出水都会带走一部分活性污泥和生物膜。

实施例1

一种处理低碳废水的CW-MFC系统的快速启动方法，包括如下步骤：

CW-MFC系统以黄铁矿为阳极导电材料，焦炭为阴极导电材料，砾石为基质，电极间距为10cm，模拟废水中污染物浓度为COD(50mg/L)、NH₄ ⁺-N(40mg/L)、PO₄ ^3--P(8mg/L)，曝气量为0.2mg/L，水力停留时间为1.5d；

加入模拟废水污染物和活性污泥泥水的混合液12h之后，通过测量阴阳极的DO(溶解氧)，不断调节阴极曝气量，曝气量为0.4L/min，阳极区氧气浓度控制在1.5mg/L(厌氧或者缺氧状态)，阴极区氧气浓度应控制在8mg/L(好氧状态)；

微生物驯化期持续7d，启动期持续18d，经过25d的快速启动后，系统的输出电压达到稳定，稳定输出电压值为180-206mV，COD去除率为99％(出水COD几乎没有)，NH₄ ⁺-N去除率为91-96％，TN去除率为19-26％，PO₄ ^3--P去除率为74-82％。

实施例2

一种处理低碳废水的CW-MFC系统的快速启动方法，包括如下步骤：

CW-MFC系统以黄铁矿为阳极导电材料，焦炭为阴极导电材料，砾石为基质，电极间距为18cm，模拟废水中污染物浓度为COD(50mg/L)、NH₄ ⁺-N(40mg/L)、PO₄ ^3--P(8mg/L)，曝气量为0.2mg/L，水力停留时间为1.5d；

加入模拟废水污染物和活性污泥泥水的混合液12h之后，通过测量阴阳极的DO(溶解氧)，不断调节阴极曝气量，曝气量为0.4L/min，阳极区氧气浓度控制在0.5mg/L(厌氧或者缺氧状态),阴极区氧气浓度控制在8mg/L(好氧状态)；

微生物驯化期持续7d，启动期持续15d，经过22d的快速启动后，系统的输出电压达到稳定，稳定输出电压值为191-235mV，COD去除率为99％(出水COD几乎没有)，NH₄ ⁺-N去除率为92-98％，TN去除率为21-33％，PO₄ ^3--P去除率为76-81％。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种处理低碳废水的CW-MFC系统的快速启动方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)微生物的驯化：

将阳极填料加入至厌氧污泥池中进行阳极微生物驯化，得到阳极污泥；

将阴极填料加入至好氧污泥池中进行阴极微生物驯化，得到阴极污泥；

将好氧污泥、厌氧污泥共混得到混合污泥，将非导电填充材料加入至混合污泥池中进行基质污泥微生物驯化，得到基质污泥；

(2)处理低碳废水的CW-MFC系统快速启动方法：

将阳极污泥加入到含有阳极导电材料的阳极层中，将阴极污泥加入到含有阴极导电材料的阴极层中，将混合基质污泥加入到含有非导电材料的基质层中，所述基质层设置于所述阳极层和所述阴极层之间，且所述阳极导电材料和所述阴极导电材料通过导线构成闭合回路，阳极导电材料产生的电子通过导线供给阴极导电材料，于阴极电极表面进行自养细菌的反硝化反应，得到快速启动的CW-MFC系统。

2.根据权利要求1所述的一种处理低碳废水的CW-MFC系统的快速启动方法，其特征在于，所述阳极导电材料选自含有硫、铁元素的导电材料，所述阴极导电材料选自碳质导电材料，所述非导电材料包括但不限于砾石、石英砂、鹅卵石。

3.根据权利要求1所述的一种处理低碳废水的CW-MFC系统的快速启动方法，其特征在于，所述阴极微生物驯化进行间歇曝气，每曝气1h停止2h再曝气；所述混合污泥微生物驯化进行间歇曝气，每曝气1h停止5h再曝气，间歇曝气的曝气量均为0.2-0.4L/min；所述阳极污泥微生物驯化不进行间歇曝气，所述阳极微生物驯化、所述阴极微生物驯化、所述混合污泥微生物驯化的时间均为6-8天。

4.一种基于权利要求1所述的处理低碳废水的CW-MFC系统的快速启动方法的装置，其特征在于，包括外壳(16)，所述外壳(16)内由上至下依次设置有阴极层(4)、基质层(3)、阳极层(2)和砾石基底层(1)；

所述外壳(16)内相对的两侧还分别设置有第一胶管(5)和第二胶管(6)，所述第一胶管(5)沿着所述外壳(16)内壁垂直伸入至所述阳极层(2)上边缘，所述第二胶管(6)沿着所述外壳(16)内壁垂直伸入至所述基质层(3)上边缘；

所述阴极层(4)由所述阴极污泥和阴极导电材料组成，所述阳极层(2)由所述阳极污泥和阳极导电材料组成，所述基质层(3)由所述基质污泥和非导电材料组成；

所述阴极层(4)的顶部设置有水生植物(12)，所述阴极层(4)和所述阳极层(2)通过导线(14)电性连接，所述导线(14)上还设置有定值电阻(15)；

所述基质层(3)和所述阴极层(4)之间设置有曝气石层(7)，所述曝气石层(7)通过曝气管(8)还贯通连接有电磁式空气泵(9)，所述曝气管(8)上设置有转子流量计；

所述外壳(16)上贯通设置有出水管(11)，所述出水管上设置有出水阀门(10)。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一胶管(5)和所述第二胶管(6)均为不易变形的硬质胶管，且二者的顶端均高出所述外壳(16)顶壁。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述外壳(16)内、位于所述外壳(16)中央还竖直设置有PVC管(13)，所述PVC管(13)侧壁上开设有若干通孔。

7.利用权利要求4所述的装置进行低碳废水的处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1、经由所述第一胶管(5)向所述外壳(16)内加入模拟废水和厌氧污泥的混合液，并将所述阳极层(2)上边缘淹没，然后将所述第一胶管(5)的上端开口封闭；

S2、经由所述第二胶管(6)向所述外壳(16)内加入模拟废水与混合污泥的混合液，并将所述基质层(3)上边缘淹没；

S3、向所述阴极层(4)上方加入模拟废水与好氧污泥的混合液，并将所述阴极层(4)上边缘淹没；

S4、调节所述定值电阻(15)，使电子经由所述导线(14)传导，并于所述阴极层(4)表面进行自养细菌的反硝化反应，于所述外壳(16)内的水力停留时间通过测定出水水质指标进行确定；

S5、达到出水水质指标后，先将处理后的废水经由所述出水管(11)排出，然后依次重复S1、S2、S3的步骤进行换水。

8.根据权利要求7所述的低碳废水的处理工艺，其特征在于，所述污泥和模拟废水体积比为1-1.5：400，所述更换的进水量与所述外壳(16)内污泥和水总量的体积之比为6-7：10。

9.根据权利要求7所述的低碳废水的处理工艺，其特征在于，所述出水水质指标包括COD量、NH₄ ⁺-N量、NO₃ ^--N量、PO₄ ^3--P量。

10.根据权利要求7所述的低碳废水的处理工艺，其特征在于，通过所述混合污泥、所述好氧污泥、所述厌氧污泥曝气后的浓度以确定换水时的进水浓度，曝气后的浓度通过测量悬浮固体量来确定。

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